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17
Sep . 2025
PCIM2025論文摘要 | 太陽能系統的高效率碳化矽 MOSFET 解決方案
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*本論文摘要由PCIM官方授權發布
內容摘要
隨著新能源技術的不斷發展，系統對電力電子變流器的要求也越來越高。高效率、高可靠性和高功率密度越來越受到設計人員的重視，並可能成為當前和下一代變換器的標準。
碳化矽（SiC）材料因其固有的寬能隙特性和高熱導率，可在1kV系統中實現更高的效率和更好的熱性能。
本文將介紹目前太陽能光電（PV）系統的主流架構以及系統不同部分常用的電路拓樸結構。根據不同拓樸結構的特點，將介紹使用SiC MOSFET的解決方案，並與IGBT解決方案進行比較，也將總結在光電系統中使用新一代SiC MOSFET的優勢。
圖1. 混合太陽能係統的結構
太陽能系統的高效能SiC MOSFET解決方案
1. 太陽能系統結構
光電發電系統具有不同的功率等級和應用場景，因此總線電壓等級和結構也各不相同。以工商業光電系統為例，如圖1所示，系統可分為三個部分：光電側、電池側、逆變器側。
最大功率點追蹤（MPPT）電路可有效地將太陽能耦合到直流母線。蓄電池側使用DC/DC電路使蓄電池電壓與總線電壓相匹配，並控制蓄電池的恆定電流或恆壓充電/放電。這部分電路可以是簡單的雙向降壓/升壓電路，也可以是具有升壓/降壓電路的隔離DCX電路，這取決於電池的配置。
逆變器電路通常採用三電平結構。但近年來，隨著高壓元件日益普及，兩電平的逆變器電路也成為研究重點。這種混合型光電系統在商業和工業場景中越來越受歡迎，因為它可以利用峰谷價差創造收益。在日照條件允許的情況下，還可以利用商業和工業場景中的閒置區域來增加綠色電力的比例。
圖2. 升壓電路
2. 不同拓樸結構的特點
根據拓樸結構的不同，SiC MOS的應用也具有不同的特性。它們大致可分為兩類：軟開關拓撲和硬開關拓撲。硬開關拓樸結構在光電系統中很常見，如圖2所示的MPPT側升壓電路、電池側降壓/升壓電路、三電平逆變器電路。
由於SiC MOSFET 的開關損耗低，因此在硬開關電路中，尤其是在高開關頻率下，其性能比IGBT更好。
圖3. 雙向降壓/升壓電路
不過，也有一個例外，就是電池側的降壓/升壓電路，如圖3所示。這是一個半橋結構，無論處於充電或放電模式，其中一個MOSFET始終處於同步整流模式，即始終在零電壓時開啟。由於存在雙向功率流，兩個MOSFET在一種工作狀態下都會出現零電壓開關（ZVS）。但在另一種模式下會出現硬開關。因此，在設計該電路時，我們需要考慮兩種工作條件下的最壞情況。
圖4. 低壓電池的CLLC
在軟開關電路中，如圖4（低電壓電池組中DCX電路的高壓側），最佳化設計可使MOSFET運作在零電壓開關(ZVS)狀態，幾乎沒有開關損耗，只有導通損耗。由於MOSFET工作在諧振頻率點，關閉電流也非常小，因此傳導損耗佔總損耗的很大比例。然而，由於SiC MOSFET的導通電阻隨溫度升高的速度高於IGBT的飽和壓降，而且在額定電流相近的情況下，SiC MOSFET的晶片尺寸通常小於IGBT，因此在這種工作條件下，SiC相對於IGBT的優勢並不明顯，甚至可以說不存在。
圖5. CoolSiC™ G2的產品組合
3. 用於太陽能系統的 英飛凌CoolSiC™ G2解決方案
該部分將為太陽能系統中不同額定功率的不同部分提供SiC解決方案。英飛凌的CoolSiC™ G2不僅改良了晶片技術，也提升了封裝技術。目前最佳的優點值（FOM）使CoolSiC™ G2能夠在輕負載和硬開關條件下實現最高效率。由於採用了擴散焊接技術（.XT），與上一代產品相比，類似等級的G2 SiC裝置的熱阻降低了15%以上。 CoolSiC™的Vgsth和Rdson分佈較窄，且較容易SiC並聯。此外，這一代SiC裝置可在200°C的最高結溫下工作100小時。系統設計靈活性的提高，使我們能夠應對過流或短路導致的過熱等極端情況，而無需升級裝置額定值。這使得設計高效、可靠和低成本的太陽能光電（PV）系統成為可能。
與 IGBT 解決方案的比較
本節將比較採用CoolSiC™ G2和IGBT H7的太陽能系統的性能，包括損耗、熱和系統優勢。同時，也將介紹根據額定功率基準IGBT對SiC的參考選擇。
結論
針對太陽能光電（PV）系統各部分的不同電路特性，使用合適的1200V CoolSiC™ G2裝置可實現高效、可靠的光伏系統解決方案。與絕緣柵雙極電晶體(IGBT)解決方案相比，整體損耗更低，體積更小。此外，由於最高結溫為200°C，系統設計可更加靈活，無需為實現過載熱性能而增加成本。
參考資料
[1] B.Klobucar 和 Z. Yuan："用於高速主軸和伺服驅動系統的 1200V 分立 CoolSiC(TM) MOSFET 與溝槽截止高速 IGBT 的比較"，德國 2020 年 PCIM 歐洲數字日，第 1-6 頁。
[2] J.Cerezo, B. Klobucar and L. Engl, "Enhancing silicon carbide CoolSiC(TM) MOSFET 1200 V performance with improved D(exp 2)Pak package using diffusion-soldering die attach," PCIM 20.
[3] J.Dong、W. Hua 和 L. Chen，"並聯式碳化矽 MOSFET 的電流共享問題"，PCIM Asia 2024，中國深圳，2024 年，第 285-291 頁，doi: 10.30420/566414051。
文章來源：英飛凌工業半導體